噪聲電子學(xué)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1噪聲電子學(xué)噪聲電子學(xué)第1頁(yè)/共53頁(yè)第2頁(yè)/共53頁(yè)微弱信號(hào)基本概念第3頁(yè)/共53頁(yè)信號(hào)與噪聲基本概念信號(hào)與噪聲基本概念干擾干擾可以減小或消除的外部擾動(dòng)可以減小或消除的外部擾動(dòng)噪聲噪聲由于材料或器件的物理原因所產(chǎn)生的擾動(dòng)由于材料或器件的物理原因所產(chǎn)生的擾動(dòng)干擾是指非被測(cè)信號(hào)或非測(cè)量系統(tǒng)所引起的噪聲，干擾是指非被測(cè)信號(hào)或非測(cè)量系統(tǒng)所引起的噪聲，是來(lái)自于外界的影響而產(chǎn)生的非信號(hào)測(cè)量值。是來(lái)自于外界的影響而產(chǎn)生的非信號(hào)測(cè)量值。外界擾動(dòng)：宇宙射線、宇宙電磁干擾、開(kāi)關(guān)的電火外界擾動(dòng)：宇宙射線、宇宙電磁干擾、開(kāi)關(guān)的電火花、強(qiáng)廣播、強(qiáng)電視信號(hào)等?；ā?qiáng)廣播、強(qiáng)電視信號(hào)等。最通常的干擾：市電干擾和附件

2、強(qiáng)電外部器件最通常的干擾：市電干擾和附件強(qiáng)電外部器件第4頁(yè)/共53頁(yè)通常干擾時(shí)有規(guī)律的，可通過(guò)屏蔽、濾波、時(shí)間錯(cuò)通常干擾時(shí)有規(guī)律的，可通過(guò)屏蔽、濾波、時(shí)間錯(cuò)開(kāi)、配置穩(wěn)壓電源等手段加以排除或削弱。開(kāi)、配置穩(wěn)壓電源等手段加以排除或削弱。干擾源類(lèi)型：干擾源類(lèi)型：1. 與被測(cè)量有相同類(lèi)型的外界干擾源與被測(cè)量有相同類(lèi)型的外界干擾源2. 與傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)有相同類(lèi)型的外界干與傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)有相同類(lèi)型的外界干擾源擾源信號(hào)與噪聲基本概念信號(hào)與噪聲基本概念第5頁(yè)/共53頁(yè)噪聲噪聲來(lái)自于被測(cè)對(duì)象、傳感器、整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)自于被測(cè)對(duì)象、傳感器、整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲，由大量短尖脈沖組成，其幅度與相內(nèi)部的噪聲，由

3、大量短尖脈沖組成，其幅度與相位都是隨機(jī)的，脈沖的形狀也多種多樣。位都是隨機(jī)的，脈沖的形狀也多種多樣。系統(tǒng)可檢測(cè)的最小電平取決于噪聲系統(tǒng)可檢測(cè)的最小電平取決于噪聲。（測(cè)量下限）。（測(cè)量下限）信號(hào)與噪聲基本概念信號(hào)與噪聲基本概念第6頁(yè)/共53頁(yè)噪聲的度量噪聲的概率密度函數(shù)噪聲的概率密度函數(shù)第7頁(yè)/共53頁(yè)噪聲的度量第8頁(yè)/共53頁(yè)噪聲的度量第9頁(yè)/共53頁(yè)噪聲的度量第10頁(yè)/共53頁(yè)噪聲的度量第11頁(yè)/共53頁(yè)*均方根就是噪聲的有效值均方根就是噪聲的有效值噪聲的度量第12頁(yè)/共53頁(yè)噪聲的度量第13頁(yè)/共53頁(yè)噪聲的度量第14頁(yè)/共53頁(yè)單位？（噪聲特征常用根PDS表示）噪聲的度量第15頁(yè)/共53

4、頁(yè)噪聲的度量2)2(fjHSSxy第16頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子噪聲I. 電阻中的熱噪聲電阻中的熱噪聲第17頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子噪聲第18頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子噪聲第19頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子噪聲第20頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子噪聲第21頁(yè)/共53頁(yè)II. 散粒噪聲散粒噪聲幾種常見(jiàn)的電子噪聲第22頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子噪聲第23頁(yè)/共53頁(yè)III.低頻噪聲（閃爍噪聲、低頻噪聲（閃爍噪聲、1/f噪聲噪聲)幾種常見(jiàn)的電子噪聲第24頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子噪聲第25頁(yè)/共53頁(yè)IV. 爆裂噪聲（爆裂噪聲（Burst noise）幾種常見(jiàn)的電子噪聲第26頁(yè)/共53頁(yè)幾種常見(jiàn)的電子

5、噪聲第27頁(yè)/共53頁(yè)放大器輸出端的總的噪聲用等效到輸入端的放大器輸出端的總的噪聲用等效到輸入端的ena、ina第28頁(yè)/共53頁(yè)1?；靖拍睿??；靖拍睿海?）信噪比）信噪比SNR（2）信噪比改善比（）信噪比改善比（SNIR）nSPPSNRlg10nSVVSNRlg20()oIoISNRSNIRSNRSNIR dBSNRSNR第29頁(yè)/共53頁(yè)深入分析：噪聲系深入分析：噪聲系數(shù)數(shù)=/nonipsinosiniinipsipsinooFPP KP PPPSNRP K PK PPSNR輸出總噪聲功率放大器無(wú)噪聲時(shí)的輸出噪聲功率FNFlog10噪聲因數(shù)噪聲因數(shù)第30頁(yè)/共53頁(yè)深入分析：可檢測(cè)的最

6、小信號(hào)深入分析：可檢測(cè)的最小信號(hào)oo=/*nononosinipnissinissionisioniisioniPPPPFP KP PPP PPSNR PPFSNR PEPFSNR P則：第31頁(yè)/共53頁(yè)例：設(shè)放大器的輸入噪聲只有信號(hào)源電阻例：設(shè)放大器的輸入噪聲只有信號(hào)源電阻Rs=1k的熱的熱噪聲，溫度噪聲，溫度17，放大器等效帶寬，放大器等效帶寬B=1kHz，噪聲，噪聲系數(shù)系數(shù)F=2，要求，要求SNRo=10試求系統(tǒng)可檢測(cè)的最小信號(hào)試求系統(tǒng)可檢測(cè)的最小信號(hào)Ei（0.566uV）第32頁(yè)/共53頁(yè)2. 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)因?yàn)槊總€(gè)放大器，都具有因?yàn)槊總€(gè)放大器，都具有 ，因而可忽略，因而可忽略in

7、a項(xiàng)項(xiàng)32111211F=F +FFKK K重點(diǎn)：設(shè)計(jì)低噪聲信號(hào)處理系統(tǒng)，第重點(diǎn)：設(shè)計(jì)低噪聲信號(hào)處理系統(tǒng)，第1級(jí)應(yīng)采用低噪聲放大器，級(jí)應(yīng)采用低噪聲放大器，且增益大于且增益大于5222nasnaeRi第33頁(yè)/共53頁(yè)2. 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)因?yàn)槊總€(gè)放大器，都具有因?yàn)槊總€(gè)放大器，都具有 ，因而可忽略，因而可忽略ina項(xiàng)項(xiàng)2)3(2)2(2)1(2vvvsoKKKvSBKeBKKeBKKKekTRNvnavvnavvvnaso2)3(232)3(2)2(222)3(2)2(2)1(21)4()4(/)4(/SNR2122)3(2)2(232)1(22212nassvvnavnanassekTRBvK

8、KeKeekTRBv222nasnaeRi第34頁(yè)/共53頁(yè)例：將例：將3個(gè)放大器串聯(lián)起來(lái)放大微弱信號(hào)，功率增益和個(gè)放大器串聯(lián)起來(lái)放大微弱信號(hào)，功率增益和噪聲系數(shù)如下表，如何連接三個(gè)放大器才能使總噪噪聲系數(shù)如下表，如何連接三個(gè)放大器才能使總噪聲系數(shù)最小聲系數(shù)最小放大器放大器功率增益（功率增益（dB)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(F)A101.6B122.0C204.0A-B-C : F=1.718A-C-B: F=1.9第35頁(yè)/共53頁(yè)2。有噪聲放大器的最小噪聲模型。有噪聲放大器的最小噪聲模型假設(shè)：假設(shè)：ena、ina為白色、高斯分布，均方輸入信號(hào)為白色、高斯分布，均方輸入信號(hào)均方輸出信號(hào)均方輸出信號(hào)有

9、噪聲放大器模型的噪聲因數(shù)：有噪聲放大器模型的噪聲因數(shù)：2sivS 22svovKSBkTRNsi4BKRieBkTRdfjfHRieBkTRNVsnanassnanaso222202222)4(2()4(ssnanakTRRieF41222第36頁(yè)/共53頁(yè)第37頁(yè)/共53頁(yè)運(yùn)算放大器的輸出噪聲分析運(yùn)算放大器的輸出噪聲分析第38頁(yè)/共53頁(yè)最佳源電阻最佳源電阻ssnanakTRRieF41222naosnaeRi最佳源電阻匹配方法最佳源電阻匹配方法min14na nae iFkT第39頁(yè)/共53頁(yè)1.有源器件的選擇：有源器件的選擇：BJT、JFET、MOSFET naosnaeRimin14n

10、a nae iFkT2. 噪聲匹配：變壓器匹配技術(shù)噪聲匹配：變壓器匹配技術(shù)3. 負(fù)反饋對(duì)噪聲特性的影響負(fù)反饋對(duì)噪聲特性的影響第40頁(yè)/共53頁(yè)預(yù)測(cè)由于噪聲的限值系統(tǒng)可分辨的被測(cè)量極限，即：多大的輸預(yù)測(cè)由于噪聲的限值系統(tǒng)可分辨的被測(cè)量極限，即：多大的輸入被測(cè)信號(hào)電平可以產(chǎn)生一個(gè)給定的系統(tǒng)輸出入被測(cè)信號(hào)電平可以產(chǎn)生一個(gè)給定的系統(tǒng)輸出SNR1. 反相運(yùn)算放大器的最小可分辨交流輸入電壓的計(jì)算反相運(yùn)算放大器的最小可分辨交流輸入電壓的計(jì)算2122RRvSFso輸入信號(hào)：峰值輸入信號(hào)：峰值Vs，頻率，頻率fs輸出信號(hào)電壓（輸出信號(hào)電壓（MS V）為：）為：總的均方輸出噪聲（總的均方輸出噪聲（MS V）為）為

11、BRReBkTRBRRkTRNFnaFFo212211144)f（第41頁(yè)/共53頁(yè)輸出輸出SNRoHz對(duì)于一個(gè)典型的系統(tǒng)參數(shù)：對(duì)于一個(gè)典型的系統(tǒng)參數(shù)：RF=105、 R1=103、 fT=12MHz、T=300K， ena=10nV RMS/ ,要得到要得到SNRo=1，計(jì)算得到，計(jì)算得到Vs峰值為峰值為6.65uV放大器等效噪聲帶寬放大器等效噪聲帶寬第42頁(yè)/共53頁(yè)2. 有白色和有白色和1/f噪聲的最小可分辨直流電流的計(jì)算噪聲的最小可分辨直流電流的計(jì)算fbfefenana)()(202設(shè)設(shè)ena含有含有1/f噪聲，其它均為白噪聲噪聲，其它均為白噪聲總的均方輸出噪聲（總的均方輸出噪聲（MS V）為）為放大器輸出噪聲的放大器輸出噪聲的PDS為為第43頁(yè)/共53頁(yè)例：求例：求SNR=4時(shí)的時(shí)的Is用靜電計(jì)用靜電計(jì)AD549運(yùn)放，參數(shù)為：運(yùn)放，參數(shù)為：T=300k，B=2Hz， RF=1010、 Gs=10-7S, ena=35nV RMS/ , ina=0.2fARMS/ ,b=1.36*10-17 MS V可求出最小的直流電流可求出最小的直流電流Is=0.1153uA，系統(tǒng)輸出端的直，系統(tǒng)輸出端的直流電壓為流電壓為1.153mVzHzH第44頁(yè)/共53頁(yè)3. 求反相放大器的最大輸出信噪比求反相放大器的最